抽水蓄能电站输水系统设计重难点探讨

周培勇

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200335）

0 引言

2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会上提出2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的战略目标，这是党中央、国务院统筹国际国内两个大局做出的战略决策，对加快促进生态文明建设、保障能源安全高效、推动经济转型升级具有重要意义。

实现碳达峰、碳中和战略目标必然伴随着构建以新能源为主体的新型电力系统，由此引发如何提高新型电力系统的灵活性以应对瞬时电力巨大需求的问题。抽水蓄能电站具有调峰填谷、调频、调相、储能、系统备用和黑启动等“六大功能”和超大容量、系统友好、经济可靠、生态环保等优势，可提高以新能源为主体的新型电力系统的灵活性，有效保障新型电力系统的安全稳定运行和提升新能源利用水平，是以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分，也是新能源转型发展的关键支撑。

1 关键水工建筑物平面位置与高程确定

抽水蓄能电站输水系统线路布置由上库进/出水口、发电厂房、下库进/出水口位置与高程、沿线地形地质条件决定。

1.1 上下库进/出水口

抽水蓄能电站进/出水口有井式进/出水口与侧式进/出水口两大类，井式进/出水口适用于上水库，侧式进/出水口适用于上下水库[1]，侧式进出水口应用较为广泛。

上下库侧式进/出水口的宽度由输水隧洞净间距与拦污栅段宽度较大值决定。为保证隧洞开挖后有足够范围的岩体作为岩体应力重分布后的承载圈，相邻隧洞间岩体的厚度不宜小于2倍洞径。隧洞洞径D由式（1）依据各隧洞经济流速拟定[2]，拟定引水隧洞与尾水隧洞洞径后，便可确定输水隧洞洞间距。拦污栅段最大过流宽度B，按过栅平均流速为0.8～1.0m/s由式（2）确定，B加上闸墩宽度即可得到进/出水口宽度，进而可求得由拦污栅宽度决定的隧洞间距。最终取上述两者中大值进行进/出水口平面布置，布置过程中还要复核进/出水口扩散段平面扩散角是否在25°～45°范围内，每孔流道平面扩散角是否小于10°，顶板扩散角是否在3°～5°范围内[3]。

式中：Qmax——输水道最大引用流量，m3/s；v——输水道经济流速，m/s；H——拦污栅段过流高度，m，取H=1.5D。

上下库进/出水口的底板高程由水力条件要求的最小淹没深度，地质条件要求的洞顶最小覆盖层厚度与泥沙淤积情况决定。最小淹没深度S由式（3）计算[4]，底板高程H1由式（4）确定。为保证进洞安全，洞顶最小覆盖层厚度（不含覆土与全风化岩层厚度）为0.5～1倍洞径或洞宽。最后复核上下库进/出水口底板高程H1是否高于泥沙淤积高程，如H1低于泥沙淤积高程，则需要防沙、排沙设施，以防止推移质进入水道。

式中：c——与进水口几何形状有关的系数，进水口设计良好和水流对称时取0.55，边界复杂和侧向水流时取0.73；v——闸孔断面流速，m/s；d——闸孔高度，m，一般取d=D；H0——上下水库死水位，m。

1.2 地下厂房

抽水蓄能电站厂房可分为地下式、地面式和半地下式[2]。由于抽水蓄能电站吸出高度常在-20～-90m，甚至更低，导致水泵水轮机安装高程低。地下厂房结构由于其不直接承受下游水压力作用，可避免因厂房结构淹没深度大带来的整体稳定性差、挡水结构承受荷载大、进厂交通布置困难等问题，在抽水蓄能电站中采用较广泛，在地形地质条件允许的情况下应优先考虑采用。

抽水蓄能电站地下厂房位置按在输水系统中的位置分为首部式、中部式和尾部式3种布置[5]。当引水系统采用钢筋混凝土衬砌型式时，由于尾水隧洞直径一般比引水隧洞大，首、中、尾3个方案的地下厂房布置中，尾部方案输水发电系统的工程投资一般最小，尾部开发优势明显。当引水系统采用钢衬方案时，引水钢衬段投资最大，地下厂房采用何种布置方式，还需结合地形地质条件、调压室数量、交通洞和施工支洞布置难度、长度等因素综合分析确定。

地下厂房轴线需结合围岩结构面发育特征、岩石强度应力比、地应力方位等综合分析确定。依据下水库水位与水泵水轮机吸出高度要求，确定机组安装高程后，地下厂房相关高程便可逐一确定，进而可进一步确定引水道末端与尾水道起点高程。

2 输水道平纵布置

上下库进/出水口、地下厂房的平面位置与相关高程确定后，便可基本确定输水系统的平面布置与纵断面布置。

2.1 输水道布置

钢筋混凝土衬砌，当内水压力超过100m后，衬砌裂缝便已产生，衬砌只起平整水流减少糙率的作用，钢筋混凝土衬砌高内水压力作用下的抗渗、防渗和渗透稳定问题关键在于围岩，围岩要满足最小地应力准则、最小覆盖层厚度准则和渗透稳定准则[6]。

1）三大准则：最小地应力准则是围岩承载的核心，是对围岩承载能力的定量判断；最小覆盖层厚度准则是对最小地应力准则的经验判断；围岩渗透稳定准则是对最小地应力准则的补充完善，Ⅰ～Ⅱ类硬质围岩长期稳定渗透水力梯度不大于10～15。

2）混凝土衬砌水道与钢衬水道布置要点：输水道平纵布置与隧洞采用钢筋混凝土衬砌还是钢衬方案有关。钢筋混凝土衬砌隧洞围岩是主要承载体，为满足上述三大准则要求，钢筋混凝土衬砌隧洞在洞线布置时尽量将输水线路埋深，洞线走向基本沿山脊布置。依据三大准则确定围岩能安全承载的极限位置，确定为钢筋混凝土衬砌末端后，以此作为钢衬起点。钢衬方案是靠钢衬防渗，布置时可不考虑三大准则要求，洞线布置在兼顾地下厂房位置的基础上需尽量顺直，以缩短洞线长度。

为解决控制地下厂房渗流量与压力钢管造价这一安全经济矛盾问题，地下厂房前钢衬长度满足不小于0.25倍最大静水头要求下，应尽量缩短承担高内水压力下平段的长度，以减少工程投资。尾水支管上方一般是主副厂房、母线洞与主变洞等地下洞室群，对于下水库高水位工况，支管承担近百米水头，为防止尾水支管内水外渗影响地下厂房内部机电设备运行，一般尾水支管采用低强度钢衬，钢衬末端超过尾水闸洞中心线15～20m。

对于竖井方案或斜井方案，从减少输水道长度和水损角度来说，斜井方案较优，但当L/H较小或覆盖层厚度不够，采用钢衬又不经济时，可考虑采用竖井方案加大输水道埋深，保证覆盖层厚度。输水道布置时需注意斜井段不能设平面拐弯，斜井角度通常在45°～60°范围，以利于自重溜渣和衬砌施工台车稳定。

3）输水道与地下厂房交接处布置难点：从隧洞围岩稳定的角度来说，低地应力区洞线与岩层层面、主要构造断裂面及软弱带走向夹角不宜小于30°，地下厂房前后高地应力地区输水道洞线与最大水平主应力方向宜一致或呈较小交角，而输水道洞线与厂房长轴线斜交夹角最小为60°，这与地下厂房长轴线与岩体最大主应力方位夹角不宜大于30°相矛盾。因此，岩石强度应力比小于4的高地应力地区，很难同时满足地下厂房轴线、引水道下平段轴线、尾水支管轴线与最大主应力夹角均较小的要求，这时应先保证跨度较大的地下厂房长轴线与最大主应力的夹角要求，再采用输水道洞线斜交地下厂房的方式，尽量满足输水道洞线与最大应力方向呈较小交角。非高地应力地区，洞线与软弱结构面为大角度要求，输水道布置与地下厂房布置这种矛盾问题不突出。

2.2 水力计算与输水道布置复核

按上述原则进行输水系统平面与立面布置后，依据规范进行发电工况、水泵工况输水系统沿程水头损失与局部水头损失计算，控制发电工况总水头损失百分率小于3%较为合理，计算水泵水轮机最大扬程与最小水头变幅比Hpmax/Htmin，依据图1进行水头变幅比复核。

图1 日立公司水泵水轮机Hpmax/Htmin使用限制曲线

1）水力计算对枢纽布置的影响。结合水泵水轮机比转速、最大发电水头或最大扬程分析变幅比Hpmax/Htmin是否在合理范围内，如Hpmax/Htmin不在合理范围内，则需调整上下库特征水位或调整输水系统布置。调整上下库特性水位对Hpmax/Htmin变化比较明显，比较容易保证变幅比Hpmax/Htmin在合理范围内，但调整特征水位涉及到上下水库大坝的设计调整，工作量较大。因此，规划提出上下库特征水位后，引水专业结合坝工厂房的初步布置，需尽快完成输水系统布置与水损计算，待引水确定变幅比Hpmax/Htmin在合理范围后，坝工再进一步依据特征水位进行上下水库大坝设计，这样可避免因Hpmax/Htmin不在合理范围内调整特征水位导致的上下库大坝设计调整。

另一方面，可通过调整输水系统布置，改变输水道管径来调整水头损失，但上下库进/出水口、地下厂房位置固定后，输水道长度也基本固定，通过调整输水系统布置对水损影响不大，变幅比Hpmax/Htmin变化不是很明显。输水道管径依据经济流速拟定，经济流速变化范围小，因此，通过改变输水道管径对水损与Hpmax/Htmin的变化也不是很明显。综合分析认为，当变幅比Hpmax/Htmin与合理范围相差较大时，调整上下库特征水位比较合理，反之，调整输水系统布置或输水道洞径比较合理。

2）调保计算与输水道布置复核。依据水损计算成果与规范进行调保计算[7]，确定上游调压室最高最低涌浪，以保证调压室下部输水道洞顶高程低于最低涌浪水位不小于4m（安全高度3m，安全水深1m），输水道全线顶高程至少有2m水压，初步复核输水道纵断面布置的合理性，以防止隧洞出现负压。尾水调压室计算基本原理与计算公式均与上游调压室相同，但需注意规范中Zmax符号含义不同：对上游调压室，涌浪向下为正，向上为负；对尾水调压室，涌浪向下为负，向上为正。

当有条件得到水泵水轮机特性曲线资料或类似水泵水轮机特性曲线时，应结合水损计算结果进行水力机械过渡过程计算，输水道最小水压力应重点关注引水道上弯点、尾水道上弯点的最小压力不小于2m，如不满足要求，可通过加大引水道上平段或尾水道上平段底坡（最大不超过10%），缩短上平段长度，降低上弯点高程，使上弯点最小压力大于2m。

3 结论

1）高地应力地区，输水道与地下厂房交接处，隧洞轴线与地下厂房长轴线难以同时满足与最大水平主应力成小角度（小于30°）的要求，应先保证地下厂房长轴线的要求。

2）钢筋混凝土衬砌隧洞围岩是主要承载体，洞线布置时尽量将输水线路埋深满足“三大准则”要求；钢衬方案是靠钢衬防渗，考虑地下厂房防渗后应尽量短顺直。

3）输水系统水力学计算涉及到判断水泵水轮机变幅比Hpmax/Htmin是否合理、上下库特征水位选取是否合理、输水系统布置及洞径选择是否合理，也是后续调保计算与水力机械过渡过程计算的基础，设计过程中应重点关注。